纯电动乘用车动力电池包的结构设计开题报告

1. 研究目的与意义

电动汽车动力电池包结构是包含电池组和各种电池管理控制系统的重要结构，其设计有效性涉及结构-热-流体-电磁等多个学科。而其可靠性事关电动汽车整车的供能有效性和安全性，需要引起足够的重视。

本课题拟针对某电动汽车动力需求，选择不同形式的电池（方形、圆柱形、软包），设计电池包结构，给出电池包图纸和三维模型。

2. 国内外研究现状分析

东风汽车股份有限公司的刘宁，王家雁，吴明暸等人^[1]围绕动力电池包系统的构成、安全防护、功能要求和技术难点分析，结合一款纯电动汽车的开发，对动力电池包系统的涉及及应用进行了阐述和研究。他们的整套设计的流程是：首先确定整车设计要求，主要选定的是改款车型的驱动电机的额定功率、峰值功率，再根据国家标准所推荐的电压等级序列确定电池包系统的额定输出电压。然后根据涉及要求选择相应的电池类型，并根据公式即可得出电池包系统的最大输出功率、最大电流、电池包系统能量和电池包系统容量。根据以上计算所得参数，选择了75ah的磷酸铁锂电池模块总成。紧接着确定电池管理系统（bms）的要求，要求实现以下功能：电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、soc估算、can通讯、放电均衡、系统自检、系统检测、热管理、充电管理等功能。之后是热管理设计，主要考虑高温、低温和温差的影响。最后进行机械单元的设计（即电池包系统的整车布置、外箱设计，内部结构）和系统匹配设计（电气连接设计和和高压安全设计）。设计完成后，制作好的电池包系统还要再进行台架性能测试和装车试验来对系统进行改进和完善。他们的整个设计过程也启发我们，电池包的设计是一套系统性的设计，要考虑方方面面的问题。我们看待问题也要从系统，从整体的角度去看待，这样才能设计出性能优异的电池包系统

上海电气集团股份有限公司、中央研究院的王兵^[2]以zklf620纯电动汽车为例来介绍一种纯电动汽车锂离子电池包的结构设计。首先选定电芯参数，王兵选用的电芯类型是磷酸铁锂软包装电芯、电压是3.2v、单体电芯容量是20ah、电芯尺寸是250mm*180mm*7.0mm。选定完电芯参数以后就是根据车内安装电池包的尺寸来确定电池包结构设计参数。zklf620车型可安装电池包的空间是后排车座下部的空间和车厢脚踏板下部的空间，两处高度分别为296mm和80mm。电池包设计的基本参数如下：质量≤250kg；电压＝332.8v；容量＝60ah。由于车体内部放置电池的部分为两个不同高度的空间，所以，需要设计两种不同高度大的电池包来满足车辆安装的要求。首先是车座下方模块的设计，根据车座下方的空间高度，再综合电芯及模块结构的要求，在此空间设计3p20s（3并20串）模块4组。单块模块质量为45kg，然后在进行车厢踏板下方模块设计，由于此区域空间面积较大但是高度只有80mm，所以模块设计之恩那个通过减少电芯的串数来达到降低高度的要求。此处选定的模块设计为3p3s，模块尺寸为278mm*210mm*67.4mm。在以上两种模块的基础上，按照按照车辆空间的要求来进行两组模块的布局设计。一般来说，小型轿车的空间是较为紧凑的，电池包的布置要尽量提高空间的利用率，即体积比能量（wh/kg），所以电池包的结构设计要在有限的空间布置尽量多的电芯模块。王兵的方案中车座下方空间布置4组3p20s模块共80s，踏板上方布置7组3p3s模块共80s，踏板上方共布置7组3p3s模块共21s，整车共布置101s，总电压为323.2v，符合了电机的要求。紧接着是进行模块之间的连接，其中需要注意的是：在连接之前要将7个模组按顺序编号，按照顺序依次连接，防止误连接引发事故。先将7个3p3s模组之间连接好，再连接3p20s的电缆线，最后第7组与车体的主电缆相连。之后进行模组的安装固定。接下来的是电池管理系统（bms）的设计与安装，在结构设计中，应留出足够的空间来放置bms部件，bms采集板可以根据需要多层放置在专门设计的金属盒体内。bms采集盒再与大箱体通过螺纹固定，利用线束将各个模块上的通信端子连接。bms采集盒将各个模块的信号集中在一起，再集中传输给车辆的控制系统，从而实现信号的传输，在研究者的方案中好考虑到了电池包的密封与防水和电池包的散热问题。这个设计案例给我们的启示是：在结构设计上要按照整车的布局和要求，合理地制定电池包的各项参数，灵活地去顶电池包的位置。根据车辆上的空间要求可以分区域设计成不同的模块结构，来满足车辆的各项要求；根据系统的具体情况来解决好防水密封与通风散热这一对矛盾，及考虑电池包安装的牢固性，又要考虑后期电池维护。

其他研究概况详见附件文献综述

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

学习了解电动汽车动力电池包的结构特点，综述电动汽车动力电池包的力学设计要求，针对某电动汽车的要求，设计不同类型电池单体下的电池包；利用ansys等有限元软件分析电动汽车动力电池包的强度特性。

研究计划：

4. 研究创新点

用新型电池对现有纯电动乘用车的电池进行更换，并重新进行电池包的结构设计